Porozumění základům nízkošumových a výkonových zesilovačů v bezdrátových návrzích

Tlak na výkon, miniaturizaci a provoz při vyšších frekvencích zpochybňuje limity dvou kritických součástek bezdrátového systému připojených k anténě: výkonového zesilovače („power amplifier“, PA) a nízkošumového zesilovače („low-noise amplifier“, LNA). Tento posun byl podnícen snahou o to, aby se 5G stalo realitou, stejně jako použití PA a LNA v terminálech VSAT, mikrovlnných rádiových spojeních a radarových systémech phased array.

Tyto aplikace mají požadavky, které zahrnují nižší šum (pro LNA) a vyšší účinnost (pro PA), stejně jako provoz na vyšších frekvencích až do 10 GHz i více. K uspokojení těchto rostoucích požadavků přecházejí výrobci LNA a PA od tradičních celokřemíkových procesů k arsenidu galia (GaAs) pro LNA a nitridu galia (GaN) pro PA.

V tomto článku je vysvětlena role a požadavky LNA a PA a jejich hlavní charakteristiky, poté jsou představena typická zařízení založená na GaAs a GaN a uvedeno, na co je třeba při návrhu s nimi pamatovat.

Citlivá úloha LNA

Funkcí LNA je převzít extrémně slabý a nejistý signál z antény, obvykle v řádu mikrovoltů nebo pod −100 dBm, a zesílit jej na užitečnější úroveň, obvykle asi půl až jeden volt (obrázek 1). Pro lepší představu, v 50Ω systému se 10 μV rovná −87 dBm a 100 μV se rovná −67 dBm.

I když zajištění tohoto zisku nepředstavuje samo o sobě pro moderní elektroniku velkou výzvu, je vážně narušováno jakýmkoli šumem, který může LNA přidat ke slabému vstupnímu signálu. Tento šum může přehlušit všechny výhody zesílení, které LNA přidává.

Obrázek 1: Nízkošumový zesilovač („low-noise amplifier“, LNA) přijímací cesty a výkonový zesilovač („power amplifier“, PA) vysílací cesty jsou připojeny k anténě přes duplexer, který oba signály odděluje a zabraňuje tomu, aby relativně výkonný výstup PA přetěžoval citlivý vstup LNA. (Zdroj obrázku: společnost DigiKey)

Všimněte si, že LNA funguje ve světě neznámých. Jako přední konec kanálu přijímače musí zachytit a zesílit nízkonapěťový signál s velmi malým výkonem a související náhodný šum, který mu anténa v rámci požadované šířky pásma předkládá. V teorii signálu se tomu říká problém neznámého signálu / neznámého šumu a jde o nejobtížnější ze všech problémů zpracování signálu.

U LNA jsou primárními parametry šumové číslo („noise figure“, NF), zisk a linearita. Šum je způsoben tepelnými a jinými zdroji s typickými hodnotami šumu v rozsahu 0,5 až 1,5 dB. Typický zisk je mezi 10 a 20 dB pro jeden stupeň. V některých návrzích se využívají kaskádové zesilovače se stupněm s nízkým ziskem a nízkým NF, po kterém následuje stupeň s vyšším ziskem, který může mít vyšší NF, ale to je méně kritické, jakmile je počáteční signál „zesílen“. (Další informace o LNA, šumu a RF přijímačích najdete v článku TechZone „Nízkošumové zesilovače maximalizují citlivost přijímače“.)

Dalším problémem LNA je nelinearita, protože výsledné harmonické a intermodulační zkreslení poškozují přijímaný signál a ztěžují jeho demodulaci a dekódování s dostatečně nízkou bitovou chybovostí („bit error rate“, BER). Linearita je obvykle charakterizována bodem zahrazení třetího řádu („third-order intercept point“, IP3), který vztahuje nelineární produkty způsobené nelineárním členem třetího řádu k lineárně zesílenému signálu. Čím vyšší je hodnota IP3, tím lineárnější je výkon zesilovače.

Spotřeba energie a účinnost LNA nejsou obecně primárním zájmem. Většina LNA je svou povahou zařízeními s poměrně nízkou spotřebou energie se spotřebou proudu od 10 do 100 mA, která poskytují napěťové zesílení následujícím stupňům a nedodávají výkon do zátěže. V systému je také pouze jeden nebo dva kanály LNA (druhý obvykle v diverzitních provedeních antén, jako jsou rozhraní Wi-Fi a 5G), takže jakákoli úspora z použití LNA s nižším výkonem by byla jen skromná.

Kromě své provozní frekvence a šířky pásma se LNA mezi sebou funkcemi poměrně hodně podobají. Některé LNA obsahují také řízení zisku, takže zesilovač zvládne široký dynamický rozsah vstupních signálů bez přetížení a saturace. Taková široce se měnící síla vstupního signálu je běžným jevem v mobilních aplikacích, kde ztráta cesty mezi základnovou stanicí a telefonem může mít široký rozsah, dokonce i během jednoho cyklu připojení.

Směrování vstupních signálů do LNA a výstupních signálů z něj je stejně důležité jako specifikace samotné součástky. Proto musí konstruktéři používat sofistikované nástroje pro modelování a rozvržení, aby využili plný výkonový potenciál LNA. Špičkový díl může být snadno znehodnocen špatným rozvržením nebo impedančním přizpůsobením, takže je důležité použít Smithovy diagramy poskytnuté dodavatelem (viz „Smithův diagram: ‚Starý‘ grafický nástroj, který je pro RF návrhy stále podstatný“) spolu s věrohodnými modely obvodu pro podporu simulačního a analytického softwaru.

Z těchto důvodů nabízejí téměř všichni dodavatelé vysoce výkonných LNA, které pracují v pásmu GHz, vyhodnocovací desku nebo ověřené rozvržení desky plošných spojů, protože kritické jsou všechny aspekty nastavení testu, včetně rozvržení, konektorů, uzemnění, bypassingu a napájení. Bez těchto zdrojů budou konstruktéři pokusy o posouzení výkonu součástky ve své aplikaci ztrácet čas.

Příkladem LNA na bázi GaAs je 18- až 31GHz pseudomorfní tranzistor s vysokou pohyblivostí elektronů („pseudomorphic high-electron-mobility transistor“, pHEMT) HMC519LC4TR od společnosti Analog Devices (obrázek 2). Toto bezvývodové keramické pouzdro 4 × 4 mm pro povrchovou montáž nabízí zisk při malém signálu 14 dB spolu s nízkým šumovým číslem 3,5 dB a vysokým IP3 s hodnotou +23 dBm. Odebírá 75 mA z jediného zdroje +3 V.

Obrázek 2: LNA na bázi GaAs HMC519LC4TR poskytuje zisk s nízkým šumem pro nízkoúrovňové vstupy od 18 do 31 GHz. Většina připojení pouzdra je pro napájecí vedení, zem nebo je nevyužitá. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Od jednoduchého funkčního blokového schématu vede vývoj návrhu k několika externím kondenzátorům různých hodnot a typů potřebných k zajištění řádného vysokofrekvenčního bypassingu s nízkou parazitností na třech přívodech napájecího vedení, označených V_dd (obrázek 3).

Obrázek 3: V reálné aplikaci vyžaduje LNA HMC519LC4TR ve svých napájecích vedeních (všechny se stejným jmenovitým napětím) více bypass kondenzátorů, aby poskytovaly jak objemovou kapacitu pro nízkofrekvenční filtrování, tak kondenzátory s menšími hodnotami pro RF bypassing k minimalizování RF parazitů. (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

Toto vylepšené schéma vede k vyhodnocovací desce, která podrobně popisuje rozvržení i kusovník, včetně použití jiného materiálu desky plošných spojů než FR4 (obrázek 4(a) a 4(b)).

Obrázek 4(a)

Obrázek 4(b)

Obrázek 4: Vzhledem k vysokým frekvencím, na kterých tyto front-endy LNA pracují, a signálům nízké úrovně, které musí zachytit, je nezbytný podrobný otestovaný vyhodnocovací návrh. To zahrnuje schéma (nezobrazeno), rozvržení desky (a) a kusovník se specifikací pasivních součástek a materiálu desky plošných spojů (b). (Zdroj obrázku: společnost Analog Devices)

LNA na bázi GaAs pro ještě vyšší frekvence je model MAAL-011111 společnosti MACOM, který podporuje provoz v pásmu 22 až 38 GHz (obrázek 5). Nabízí zisk při malém signálu 19 dB a šumové číslo 2,5 dB. Tento LNA se zdá být jednostupňovým zařízením, ale uvnitř má ve skutečnosti tři kaskádovité stupně. První stupeň je optimalizován pro nejnižší šum a mírný zisk, zatímco další stupně poskytují dodatečný zisk.

Obrázek 5: Uživatelům se LNA MAAL-011111 jeví jako jednostupňový zesilovač, ale uvnitř používá řadu stupňů zisku navržených tak, aby maximalizovaly SNR signálové cesty mezi vstupem a výstupem a zároveň přidávaly významný zisk na výstupu. (Zdroj obrázku: společnost MACOM)

Stejně jako LNA společnosti Analog Devices potřebuje LNA MAAL-011111 pouze jeden nízkonapěťový zdroj a je malý – má rozměr pouze 3 × 3 mm. Uživatel může upravit a vyměnit některé výkonové specifikace nastavením předpětí (napájecího napětí) na různé hodnoty mezi 3,0 a 3,6 V. Navržené rozvržení desky ukazuje kritické rozměry mědi desky plošných spojů, které jsou potřebné k zachování správného impedančního přizpůsobení a výkonu zemnicí roviny (obrázek 6).

Obrázek 6: Navrhované rozvržení pro maximální využití zařízení MAAL-011111 společnosti MACOM, které zároveň poskytuje přizpůsobení vstupní a výstupní impedance. Všimněte si použití mědi na desce plošných spojů pro přenosová vedení řízená impedancí a také nízkoimpedančních zemnicích rovin (rozměry v milimetrech). (Zdroj obrázku: společnost MACOM)

PA pohání anténu

Na rozdíl od náročného úkolu LNA zachytit signál odebírá PA z obvodu relativně silný signál s velmi vysokým SNR a musí zvýšit jeho výkon. O signálu jsou známy všechny obecné faktory, jako je amplituda, modulace, tvar, pracovní cyklus a další. Toto je kvadrant známého signálu / známého šumu mapy zpracování signálu a lze jej nejsnadněji zvládnout.

Primárním parametrem pro PA je jeho výstupní výkon na sledované frekvenci, s typickým ziskem PA v rozmezí +10 až +30 dB. Spolu se ziskem je dalším kritickým parametrem PA účinnost, ale všechna hodnocení účinnosti jsou komplikována modelem použití, modulací, pracovním cyklem, přípustným zkreslením a dalšími aspekty zesilovaného signálu. Účinnost PA se pohybuje v rozmezí 30 až 80 %, ale to velmi závisí na mnoha faktorech. Linearita PA, která je rovněž kritická, se posuzuje stejně jako u LNA podle IP3.

Zatímco mnoho PA používá technologii CMOS při nižších úrovních výkonu (do přibližně 1 až 5 W), v posledních letech dozrály a jsou také široce používány i jiné technologie, zejména při vyšších úrovních výkonu, kde je účinnost rozhodující jak z hlediska životnosti baterie, tak z tepelných důvodů. PA využívající GaN nabízí lepší účinnost při vyšších úrovních výkonu a vyšších frekvencích (typicky nad 1 GHz), kde je potřeba několik wattů nebo více. PA na bázi GaN jsou cenově konkurenceschopné, zvláště když se zohlední účinnost a výkonová ztráta.

Představitelem některých nejnovějších PA na bázi GaN je model CGHV14800F společnosti Wolfspeed, 800W zařízení 1 200 až 1 400 MHz. Kombinace účinnosti, zisku a šířky pásma tohoto PA HEMT je optimalizována pro pulzní radarové zesilovače v pásmu L, což umožňuje konstruktérům najít mnoho využití v aplikacích, jako je řízení letového provozu („air traffic control“, ATC), meteorologické systémy, protiraketové systémy a systémy pro sledování cíle. Při napájení 50 V poskytuje typickou účinnost odběru 50 % a vyšší a dodává se v keramickém pouzdru o rozměrech 10 × 20 mm s kovovými přírubami pro chlazení (obrázek 7).

Obrázek 7: PA na bázi GaN CGHV14800F 1 200 až 1 400 MHz, 800 W s keramickým pouzdrem 10 × 20 mm s kovovými přírubami musí současně splňovat náročné požadavky na RF a rozptyl. Všimněte si montážních přírub pro přišroubování, nikoli připájení, pouzdra k desce plošných spojů k zajištění mechanické a tepelné integrity. (Zdroj obrázku: společnost Wolfspeed)

Zařízení CGHV14800F pracuje s napájecím napětím 50 V a typicky poskytuje výkonový zisk 14 dB s účinností odběru > 65 %. Stejně jako u LNA jsou zásadní vyhodnocovací obvody a referenční návrhy (obrázek 8).

Obrázek 8: Předváděcí obvod poskytnutý pro PA CGHV14800F vyžaduje kromě samotného zařízení jen velmi málo součástek, ale kritické jsou fyzické rozvržení a tepelné aspekty. PA je připevněn k desce pomocí šroubů a matic (na spodní straně, nejsou vidět) prostřednictvím přírub pouzdra, které slouží jak k zajištění integrity montáže, tak k tepelným účelům. (Zdroj obrázku: společnost Wolfspeed)

Mezi mnoha tabulkami specifikací a výkonnostními křivkami je neméně důležitá křivka snižování výkonové ztráty (obrázek 9). Ta ukazuje dostupný jmenovitý výstupní výkon v závislosti na teplotě pouzdra a indikuje, že maximální povolený výkon je konstantní až do 115 °C a poté se lineárně snižuje až na maximální jmenovitou hodnotu 150 °C.

Obrázek 9: Vzhledem ke své úloze při dodávání energie je ztrátová křivka PA potřeba, aby konstruktérům ukázala snižování přípustného výstupního výkonu se zvyšováním teploty pouzdra. Zde výkon po dosažení teploty 115 °C rychle klesá. (Zdroj obrázku: společnost Wolfspeed)

Společnost MACOM také nabízí PA založené na GaN, jako je tranzistor GaN NPT1007 (obrázek 10). Díky frekvenčnímu rozsahu DC do 1 200 MHz je vhodný pro širokopásmové i úzkopásmové RF aplikace. Typicky pracuje s jediným napájecím napětím mezi 14 a 28 V a poskytuje zisk při malém signálu 18 dB při 900 MHz. Je navržen tak, aby toleroval nesoulad 10:1 SWR („standing wave ratio“, poměr stojatých vln) bez poškození zařízení.

Obrázek 10: PA na bázi GaN NPT1007 společnosti MACOM pokrývá rozsah DC do 1 200 MHz, takže je vhodný pro širokopásmové i úzkopásmové RF aplikace. Konstruktéři získají další podporu prostřednictvím různých grafů zátěže a tahu. (Zdroj obrázku: společnost MACOM)

Kromě grafů znázorňujících základní údaje výkonu při 500, 900 a 1 200 MHz je zařízení NPT1007 podporováno řadou grafů „zátěže a tahu“, které pomáhají konstruktérům obvodů a systémů, kteří usilují o robustní produkt (obrázek 11). Testy zátěže a tahu se provádějí pomocí spárovaného zdroje signálu a analyzátoru signálu (spektrální analyzátor, měřič výkonu nebo vektorový přijímač).

Test vyžaduje změnu impedance, jak je vidět na testovaném zařízení („device under test“, DUT), aby bylo možné posoudit výkon PA (zahrnující faktory, jako je výstupní výkon, zisk a účinnost), protože hodnoty jakýchkoli souvisejících součástek se mohou změnit v důsledku teplotních posunů nebo v důsledku změn v rámci tolerančních pásem kolem jejich jmenovitých hodnot.

Obrázek 11: Graf zátěže a tahu pro PA NPT1007 přesahuje standardní tabulku min./max./typických specifikací a ukazuje výkon PA, když se jeho zátěžová impedance posune od jmenovité hodnoty, což je situace, která nastane při skutečném použití v důsledku počáteční výrobní tolerance a tepelného posunu. (Zdroj obrázku: společnost MACOM)

Bez ohledu na použitý proces PA musí být výstupní impedance zařízení plně charakterizována dodavatelem, aby ji konstruktér mohl správně sladit s anténou k zajištění maximálního přenosu výkonu a udržení SWR co nejblíže jednotě. Tento přizpůsobovací obvod je primárně tvořen kondenzátory a induktory, které mohou být implementovány jako samostatná zařízení nebo vyrobeny jako součást desky plošných spojů nebo dokonce pouzdra produktu. Musí být také navrženy tak, aby udržely úrovně výkonu PA. Opět platí, že k pochopení a implementaci požadovaného impedančního přizpůsobení je nezbytné použití nástrojů, jako je Smithův diagram.

Vzhledem k malé velikosti matrice PA a vysokým úrovním výkonu je pouzdro kritickým problémem. Jak bylo ukázáno výše, mnoho PA podporuje chlazení prostřednictvím širokých kabelů a přírub pouzdra odvádějících teplo, stejně jako tepelný zářez pod pouzdrem, který slouží jako cesta k mědi desky plošných spojů. Při vyšších úrovních výkonu (nad asi 5 až 10 W) může mít PA měděnou krytku, která umožní namontovat chladič na horní stranu, a mohou být zapotřebí ventilátory nebo jiné pokročilé chladicí techniky.

Jmenovitý výkon a malá velikost spojená s PA na bázi GaN znamená, že modelování tepelného prostředí je kritické. Samozřejmě nestačí udržovat samotný PA v rámci přípustných hodnot teploty pouzdra nebo spoje. Jakékoli teplo, které je z PA odváděno, se nesmí stát problémem pro ostatní části obvodu a systému. Je třeba se tepelnou cestou zabývat a vyřešit ji.

Závěr

Systémy založené na RF, od chytrých telefonů po terminály VSAT a radarové systémy phased array, posouvají hranice výkonu LNA a PA. To přimělo výrobce zařízení přejít od křemíku k prozkoumávání GaAs a GaN, aby zajistili požadovaný výkon.

Tyto nové procesní technologie poskytují konstruktérům zařízení s větší šířkou pásma, menšími rozměry a vyšší účinností. K tomu, aby tyto nové technologie mohli konstruktéři efektivně používat, však musí porozumět základům fungování LNA a PA.